（发酵工程专业论文）无溶剂系统脂肪酶催化pomf酯交换生产cbe的研究.pdf

摘要 摘要 非水相中的酶促酯交换反应广泛应用于油脂的改性。该反应通过酯交换替换 甘三酯中的酰基基团来改善油脂性质。类可可脂( c b e ) 作为天然可可脂( c b ) 的良好替代品，在食品工业生产中得到了广泛的应用。本论文从降低生产成本和 提高类可可脂品质的角度出发，采用无溶剂系统作为反应体系，利用1 ，3 - 位置 特异性脂肪酶催化棕榈油中间熔点物( p o m f ) 与硬脂酸甲酯( s m e ) 进行酯交 换反应制取c b e ，探讨了p o m f 的提取工艺和酶促酯交换反应条件，建立了反应 动力学模型，并对用填充床酶反应器连续酯交换生产c b e 作了初步探讨。 采用两次分提结晶法提取p o m f 。分提液组成为丙酮，棕榈油= 5 1 ( v v ) ， 在7 8 下结晶分离低熔点物，2 2 2 4 下结晶除去高熔点物。p o m f 提取率 为3 3 2 ，其中l ，3 一棕榈酰一2 油酰甘油酯( p o p ) 、i 一棕榈酰一2 一油酰一3 硬脂酰 甘油酯( p o s ) 和l ，3 硬脂酰一2 一油酰甘油酯( s o s ) 作为主要甘三酯的含量约为 6 5 5 ，1 2 9 和0 5 。 筛选出了具有较高酯交换反应活性的脂肪酶l i p o z y m ei m 。并进一步研究了 酶与反应底物( p o m f 和s m e ) 的配比、反应温度、振荡速度和底物加水量等对 酯交换反应过程中三种主要甘三酯的组成( s i ) 和质量转化率( r ) 的影响。结果表 明，酶：p o m f ：s m e = 1 ：1 2 5 ：2 5 ( g g 1 ) 为适宜的酶与底物配比，最适反应温度为 6 5 ，最适振荡速度为2 0 0 r m i n ，适宜底物加水量为0 0 2 o 0 5 。在此反应条 件下，约7 0 m i n 到达终点( s i = 0 5 4 ) ，r 8 5 ，在单位时间内单位酶量的c b e 产量( 比产量p e ) 为1 1 7 4 9 g q h 。 酶的操作稳定性对酶的实际生产应用具有重要影响。在间歇反应中的脂肪酶 l i p o z y m ei m 操作稳定性研究表明，l i p o z y m ei m 在该酯交换反应中具有较好的 操作稳定性，其半衰期约为2 7 0 h 。 为给酶法生产c b e 提供理论指导，建立了初始底物浓度对反应初速度的影响 和三种主要甘三酯浓度随时间变化的两个动力学模型。实验结果表明，实验值与 理论值较吻合。 通过填充床酶反应器中p o m f 与s m e 酯交换生产c b e 的连续反应实验，研 究了空速对s i 和r 的影响。当s i 为o 5 4 时，r 1 2 3 ，比产量( p e ) 为3 9 9g g - 1 h 一。 通过真空蒸馏对酯交换反应后的产物进行纯化。在1 8 0 0 p a 、1 9 0 。c 条件下， 基本可除去产物中含有的脂肪酸甲酯。三种主要甘三酯的含量由纯化前的2 2 - 8 提高到6 9 8 ，其组成( p o p1 6 3 ，p o s3 2 o ，s o s2 1 5 ) 同天然可可脂接 近，熔点为3 5 5 c ( 可可脂为3 2 3 6 ) 。经差示扫描量热法( d s c ) 分析，产 华南理工大学工学硕士学位论文 品在较窄的温度范围内有一个强烈的吸热峰， 产品符合类可可脂的质量要求。 关键词：脂肪酶；酯交换反应；无溶剂系统； 表现出可可脂的独特的物理性质 棕榈油中间熔点物；类可可脂 a b s t r a c t e n z y m a t i ci n t e r e s t e r i f i c a t i o ni nn o n - a q u e o u sp h a s e h a sb e e nw i d e l yu s e df o ri m p r o v i n g t h eq u a l i t yo fo i la n df a t s t h i sr e a c t i o np r o v i d e sau s e f u la l t e r n a t i v ef o rr e p l a c i n gt h ea c y l g r o u p o fg l y c e r i d e st om o d i f yo i la n df a t s c o c o ab u t t e re q u i v a l e n t ( c b e ) i sag o o ds u b s t i t u t e f o rc o c o ab u y e r ( c b ) w h i c hh a sw i d e a p p f i c a t i o ni nf o o di n d u s n y ，t o r e d u c et h ep r o d u c tc o s t a n d i m p r o v et h eq u a l i t yo fc b e 1 , 3 s p e c i f i cl i p a s e c a t a l y z e di n t e r e s t e r i f i c a t i o no fp a l m o i l m i d f r a c t i o n ( p o m p 3w i t hs t e a r i ca c i dm e t h y le s t e r ( s m e ) f o rc b ep r o d u c t i o ni nas o l v e n t f r e es y s t e mw a se x p l o r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee x t r a c t i o no fp o m f , t h eo p t i m i z a t i o no f r e a c t i o nc o n d i t i o n s ，t h ee s t a b l i s h m e n to fk i n e t i cm o d e l sa n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o no fc b e w i t l lab i o r e a c t o r p a c k e d w i t hi m m o b i l i z e d l i p a s ew e r ei n v e s 衄a t e ds y s t e m a t i c a l l y p o m fc o u l db ee x t r a c t e df r o m p a l m 0 i 1b yt w i c ef r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o n ，t h eo p t i m u m r a t i oo fa c e t o n et op a l mo i lw a s 5 ：l ( v v ) u n d e rw h i c h t h ec o m p o n e n t sw i t hl o wm e l t i n gp o i n t c o u l db ei s o l a t e da t7 - 8 。ca n dt h eo n e sw i t hh i g hm e l t i n gp o i n tc o u l dh es e p a r a t e da t2 2 2 4 t h ey i e l do fp o m fw a s3 3 2 w i t ht h et h r e em a i nt r i g l y c e r i d e so fp o m f b e i n g6 5 5 1 , 3 一d i p a l m i t o y l - 2 - o l e o y lg l y c e r o l ( to p ) 。1 2 9 1 - p a l m i t o y l - 2 一o k o y l 3 - s t e a r o y lg l y c e r o l ( p o s ) a n d0 5 1 , 3 一d i s t e a r o y l 一2 一o l e o y lg l y c e r o l ( s o s ) ，r e s p e c t i v e l y l i p o z y m ei mw a ss c r e e n e df r o ms e v e r a ll i p a s e s o fd i f f e r e n ts o u r c e sd u et oi t s h i g h i n t e r e s t e r i f i c a t i o na c t i v i t y t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ee n z y m a t i c i n t e r e s t e r i f i c a t i o no fp o m fw i t hs m e t h ei n i t i a lr a t i oo fl i p a s et os u b s t r a t e so f1 ：1 2 5 ：2 5 ( e n z y m e ：p o m f ：s m e ，g g “) w a st h o u g h t t ob et h eb e s t t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e ，s h a k es p e e d a n dw a t e ra d d i t i o nw e r e6 5 ，2 0 0 r m i n 。a n d0 0 2 - 0 0 5 ( m ) ，r e s p e c t i v e l y u n d e rw h i c h t h ev a i u eo f s i ( q u a n t i f i e d b y t h es t e 锄把i n d e x ) c o u l da c h i e v e0 5 4w i i lt h ey i e l do f t h et h r e e m a i nt r i 9 1 ) 7 c e r i d e sf ro rm a s so ft h et h r e em a i n t r i 9 1 ) ，c e r i d e s i n i t i a l m a s so ft h et h r e em a i n t r i g l y c e d d e s ) b e i n gh i g h e r t h a n8 5 a n dt h e s p e c i f i cp r o d u c t i v i t y ( p s o rm a s so f c b e ( t i m e m a s so f e n z y m e lb e i n g1 1 7 4 9 g l h u p o ni n c u b a t i o nf o ra b o u t7 0 m i n i ti sw e l lk n o w n t h a tt h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo fa ne n z y m e p l a y s a l li m p o r t a n tr o l ei i lt h e c o m m e r c i a l i z a t i o no fa ne n z y m a t i cr e a c t i o n s ot h es t a b i l i t yo f l i p o z y m e i mw a ss t u d i e db y u s i n g i tr e p e a t e d l y t h er e s u l t so b t a i n e ds h o w e dt h a tl i p o z y m ei mw a s q u i t es t a b l ei nb a t c h r e a c t i o na n dt h eh a l f - l i f ew a sa b o u t2 7 0 h t w ok i n e t i cm o d e l s d e s c r i b i n gt h ee f f e c to fs u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o no nt h ei n i t i a lr e a c t i o n r a t ea n dv a r i a t i o ni nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h et h r e em a i n i r i g l y c e r i d e s w i t l lt i m ew e r e e s t a b l i s h e dt of o r mt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ri t si n d u s t r i a lu s e ，i th a sb e e nd e m o n s t r a t e d t h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t h t h et h e o r e t i c a lv a l u e s 1 1 i 华南理工大学工学硕士学位论文 =!_-口自_目!_e日，_tj_-!|_=j_!eb_日_日_mi m j _ e = 一 af i x e db e db i o r e a c t o rc o u l db ee m p l o y e df o rt h ee n z y m a t i ci n t e r e s t e d f i c a d o no fp o m f w i t hs m ea n dt h es u b s t r a t ef l o wr a t eh a sb e e nf o u n dt ob eo n eo ft h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h e r e a c t i o nr e m a r k a b l y t h ee f f e c t so ft h ef l o wr a t e0 1 1s ia sw e l la srh a sb e e ne x a m i n e d w h e n s iv a l u ew a s0 5 4 ，rw a s h i g h e rt h a n1 2 3 a n dp 已w a s3 9 9 9 g - j - h n e p r o d u c tw a 3p u r i f i e db yv a c u u m d i s t i r a d o n n l cf a t r ya c i dm e t h y le s t e r sf o r m e di n t h er e a c t i o nw e r ea l m o s tr e m o v e da t1 8 0 0 p aa n d1 9 0 n 犯c o n t e n to ft h et h r e el l l a i n t r i g l y c e r i d e sw a gr a i s e df r o m2 4 8 t o6 9 g a f t e re x 口a c t i o na n dt h ec o m p o s i t i o n 甜t h e p r o d u c t ( 1 6 3 p o p ，3 2 0 p o s ，2 1 ，5 s o s ) a r es i m i l a r t ot h o s eo f c b 1 1 忙m e l t i n g p o i n to f c b e ( 3 5 5 c ) w a sw i t h i nt h es c o p eo fc b ( 3 2 - - 3 6 。c ) n l ed i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h et h i n em a i nt r i g l y c e r i d e sw e r ew e l lc o m p a t i b l e ，a n dt h e f a n 塞eo f m e l t i n gp o i n tw a sn & 2 0 w ，w h i c hw a gi d e n t i c a lt ot h a to f c b k e y w o r d s ：l i p a s e ；i n t e r c s t e d f i c a t i o n ；s o l v e n tf r e es y s t e m ；p a l mo i lm i d f r a c t i o n ；c o c o a b u n e r e q u i v a l e n t i v 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 p o p ：1 ，3 一二棕榈酰一2 一油酰甘油酯； p o s ：1 棕榈酰一2 一油酰一3 一硬脂酰甘油酯； s o s ：l ，3 一二硬脂酰一2 一油酰甘油酯； s m e ：硬脂酸甲酯； p m e ：棕榈酸甲酯； p o m f ：棕榈油中间熔点物； c b ：可可脂； c b e ：类可可脂； 【p o p 】、【p o s 】、【s o s 】：相应甘三酯含量( m ) ； 【p o p 0 、【p o s 0 、【s o s o ：相应甘三酯初始含量( m ) ； m p o sm s o s p o s 和s o s 的摩尔质量( g m o l 。) ； c ( m ) 0 、c ( ) 0 分别为p o p 和s m e 的初始摩尔浓度( m m o l g 1 ) ； c ( m ) 、c ( m ) 、c ( ) 、c ( ) 、c ( m ) ：分别为各物质的摩尔浓度( m m 0 1 g 。) s i v 特异性酯交换速率( r e t 0 0 1 g - ih 。) ： f p ：空速( h 。1 ) ： c s i v ：连续化反应特异性酯交换速率( m m 0 1 g h - i ) ； v ，v m 。；：反应初速度和反应最大初速度( m m o l g - 1 m i n 一) ： k ，墨p d p ：s m e 和p o p 的米氏常数( m m 0 1 g 。1 ) ； k ，k i ：反应速率常数( g m o l m i n 。) ； t ：反应时间( m i n ) ： r ：产率( m ) ： p e ：比产量( g - g h 。1 ) v 第一章绪论 1 1 类可可脂研究进展 第一章绪论 天然可可脂的代用品，以所采用的油脂原料和加工工艺的不同，可以分为“代 可可脂”( c o c o ab u t t e rr e p l a c e ，c b r ；c o c o ab u t t e rs u b s t i t u t e ，c b s ) 和“类可可脂” ( c o c o ab u t t e re q u i v a l e n t 。c b e ) 两大类。代可可脂又可分为月桂酸型代可可脂 ( c b s ) 和非月桂酸型代可可脂( c b r ) 。各种可可脂的产品特点如表i - i 。 表i - i 可可脂产品特点m ” t a b l e1 - 1c h a r a c t e r i s t i co fc o c o ab u t t e rp r o d u c t 项目可可脂类可可脂 代可可脂 月桂型非月桂型 主要 腊肪酸 组成 主要 甘三酯 组成 原料 来源 棕榈酸( p ) 硬脂酸( s ) 油酸( o ) 棕榈酸( p ) 硬脂酸( s ) 油酸( o ) 月桂酸( l ) 肉豆蔻酸( m ) 反式油酸( o t ) 硬脂酸( s ) 棕榈酸( p ) p o p 、p o s 、s o sp o p 、p o s 、s o sl l l 、l l m 、l m mp o t o t 、s o t o t 可可豆 产品色泽：淡黄色 特性熔点：3 2 3 6 2 7 脆硬 巧克力入口迅速融化有 产品凉爽口感。 特性 高档巧克力 产品3 1 ，0 0 0 3 3 0 0 0 棕榈油， 雾冰草油， 牛油树脂， 乌桕脂等 色泽：乳白色 熔点：可控 2 7 脆硬 可与可可脂任意 比例混合，减少霜斑 的形成。 高档巧克力 1 2 ，0 0 0 一1 8 ，0 0 0 棕榈仁油 椰子油等 色泽：乳白色 熔点：可控 2 0 脆硬 不可以与天然 可可脂混合使用， 有肥皂味， 蜡质口感。 低档巧克力 1 0 ，0 0 0 一i i ，0 0 0 大豆油， 棉籽油， 菜子油， 花生油等 色泽：乳白色 熔点：可控 不可与天然可可脂 混合使用，有蜡质 口感，无入口即化的 爽口感。 低档巧克力 1 0 ，0 0 0 一i1 。0 0 0 1 ：塑垄! !垄! ! 歪! !垄! 1 1 华南理工大学工学硕士学位论文 1 1 1 可可脂( c b ) 的化学组成及物理特性 可可脂呈乳黄色或乳白色，外观有点像白蜡，具有独特的令人愉快的可可脂 香味。其主要脂肪酸有：棕榈酸2 3 2 4 ，硬脂酸3 4 3 5 ，油酸3 9 4 0 ，亚油酸2 m 。可可脂中甘三酯的组成见表1 2 ，可知其主要成分是：1 ，3 一 二棕榈酰一2 油酰甘油酯( p o p ) 、1 - 棕榈酰2 油酰一3 一硬脂酰甘油酯( p o s ) 和1 ，3 - 二 硬脂酰2 油酰甘油酯( s o s ) 。大部分甘三酯的组成形式是甘油基上连接两个饱和 脂肪酸和一个不饱和脂肪酸，同时以对称的形式出现。因此，决定了可可脂具有 一系列特有的物理特性m ，其香味是一般油脂中罕有的，是巧克力独特风味的来 源。在3 0 3 2 下软化，在3 2 3 5 的狭窄范围内迅速融化，故进入人体后 可迅速完全融化。在低于2 6 2 7 时，可可脂呈脆性和坚硬化，稍高于这个温度 就迅速软化，软化后无油腻感，且具有良好的贮藏性能。含较多的饱和脂肪酸酯， 故不易氧化变质。 表1 - 2 可可脂主要甘油三酯组成“， t a b l e1 - 2 t y p i c a lt r i g l y c e r i d ec o m p o s t i o n ( m ) o f c o c o ab u t t e r 天然可可脂是巧克力的重要生产原料，是从可可豆中提取出来的植物脂肪， 而可可树在地球赤道南北2 0 度以内的区域才适合生长，其产地大多集中在拉美和 非洲国家。世界可可豆年产量仅1 6 0 万吨左右，远远不能满足全世界巧克力生产 日益增长的需要“”。正因为其独特特性，再加上产量的限制和需求量的不断扩大， 使得可可脂成为了最贵重的油脂之一。 1 1 2 类可可脂( c b e ) 生产研究状况 类可可脂的化学组成和物理特性和可可脂十分相近，是可可脂最理想的替代 品，目前国际市场主要产品有荷兰洛德斯可罗科兰公司生产的c o b e r i n e ( - 每宾) 类 2 第一章绪论 可可脂，英国尤力勒非匀二公司白勺c o d e l i n c ( 柯布林) 类可可脂，巧克力消费大 国瑞士s a i s 公司生产的c a l v e t t a 类可可脂，日本旭电化工业株式会生产的f a n t o m 1 0 0 类可可脂，马来西亚s p e c i a l t yf a t s 公司生产的类可可脂等。国内从8 0 年代开 始进行了类可可脂的研究m ，并投入上亿元资金建立了3 2 家类可可脂生产厂，产 量大都在3 0 0 t a ，但由于当时在产品得率、分提和脱臭工艺设备等方面均存在未 能解决的技术难题，导致生产成本高、类可可脂的结晶性能不好，表现在巧克力 制造中冷却慢、不易脱模、其产品巧克力在货架期内表面起霜斑及不硬不脆等问 题，国内的类可可脂厂多数相继停产或转产。类可可脂的生产9 0 进入年代后出现 了低潮，目前研究热点主要集中在高效分提技术m w 和酶促酯交换技术m ，等方面。 最近国外有关类可可脂生产的研究报道，也主要集中在高效分提技术m - ”，、酶促酯 交换反应技术及反应器设计n ”“。 1 1 3 类可可脂的制备方法 1 1 3 1 物理法制备类可可脂物理法制备类可可脂是直接从精炼后或半精炼 后的油脂中分提类可可脂。其原理是根据油脂中不同物质结晶性能的差异，利用 物理方法将不同结晶特性的油脂分离。方法主要包括表面活性剂分提、快( 慢) 速 干法分提，粉末晶种干法分提、湿法分提、二次分提、干法兼湿法分提、过冷真 空分提和溶剂结晶分提等n ，。物理法不足之处是若油脂中熔点过高和过低的组分 含量过高，会导致类可可脂收率偏低，生产成本过高。 早在8 0 年代，我国就己开始研究利用分提技术从乌桕脂中提取类可可脂，并 取得了较好的成果。江西工业大学取得了多个小试国家专利，包括干法分提，干 法兼湿法分提、表面活性剂分提技术等“”。上海油脂科学研究所不仅拥有一次 湿法分提( 中试) 的国家专利，还获得国外专利m ，。江西师范大学完成了二次湿法 分提的国家专利n “。 1 9 9 4 年，林一天“”以结晶动力学基础理论为指导，借助于x 射线衍射、电子 显微镜、偏光显微镜研究了不同结晶条件下乌桕脂结晶形态和分提效果，并且创 立了以半精炼的乌桕脂制取类可可脂的方法及其分提塔搅拌装置。 采用溶剂分提、表面活性剂分提等方法制取类可可脂时，需选用适当溶剂如 丙酮、正己烷等萃取对称性甘油三酯。这类方法设备投资大，生产安全性差，成 本高。采用干法结晶控温分离法，在油冷却时，由于油脂粘度增加，低熔点组分 往往会附着在高熔点的组分上，从而降低了类可可脂的质量和得率。鉴于此，徐 志宏“”等在干法结晶的基础上，研究一种在真空条件下制取类可可脂的方法，将 精炼乌桕脂于6 0 。c 下熔化，真空条件下进行干法结晶，结晶后采用玻砂漏斗g 2 进行恒温减压过滤，液体部分为类可可脂油。结果表明，类可可脂产率为7 0 以 3 华南理工大学工学硕士学位论文 上，且结晶粗大，容易过滤分离。经过新工艺调温后类可可脂结晶细腻，口感良 好，无异味。 1 1 3 2 酯交换法制备类可可脂酯交换法是一种很好的油脂改性方法，是目 前类可可脂生产最主要的方法。酯交换可采用化学催化剂也可采用生物催化剂。 用化学催化剂如金属钠、钾或甲醇钠等来加速酰基在甘油分子中的转移，由于反 应无位置选择性，酰基在甘油酯中的分布是随机的。而用1 ，3 位置选择性脂肪 酶作为催化剂进行转酯化反应，可以得到较多的所需组分，降低所不需组分的含 量，产品具有食用安全性，故被普遍接受。 1 ) 化学酯交换最近，h a r y a t i 等”利用甲醇盐催化棕榈油进行酯交换反应，优 化棕榈油中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的含量，以制备类可可脂。研究结果表明， 催化剂含量为0 。3 6 ，在7 8 8 1 下反应3 2 5 3 6 0 m i n 时，各种脂肪酸组成最适。 2 ) 酶促酯交换随着非水相酶学研究的不断深入发展，脂肪酶在油h 旨j j n 工中的 应用已从油脂水解扩展到酯合成和酯交换。利用酶促酯交换反应可以把廉价的油 脂改良成具有特殊功能性质的高品位油脂。与利用钠和甲醇盐为催化剂的化学酯 交换相比，酶法具有催化活性高，反应条件温和、选择性强、产物分离简单等优 点，酶促酯交换制备类可可脂已成为这一领域研究的热点。 1 1 4 类可可脂生产原料 1 1 4 1 以棕榈油为原料在过去的3 0 年中，全球棕榈油的生产得到了迅速 发展。作为世界产量居第二位的植物油，同其它油脂相比，具有产量稳定，价格 便宜等优点。棕榈油以甘三酯为主要成分，还含少量的甘二酯、单甘酯、甲酯和 脂肪酸。其甘三酯中脂肪酸链的长度( 受碳原子数影响) 和结构( 存在着双键， 如不饱和酸) 是多变的。棕榈油的理化性质主要由其组成即脂肪酸碳链结构及碳 原子数所决定。 棕榈油中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸约各占5 0 m ，。这种平分状态决定了棕 榈油的碘价约为5 3 ，并赋予棕榈油较其它植物油脂具有更好的抗氧化性能。其脂 肪酸组成见表1 3 。甘油分子的不同位置上可连接各种不同的脂肪酸链，这样可 形成较多不同的甘三酯分子，其甘三酯组成见表1 - 4 。 棕榈油的熔点取决于甘三酯脂肪酸结构及其分布状况，且这些因素也会影响 棕榈油的结晶行为。由于大量的不饱和油酸的存在，天然棕榈油在室温下呈半固 体状态。马来西亚棕榈油的一些理化性质见表1 5 。 4 第一章绪论 表1 3马来西亚棕榈油脂肪酸组成 t a b l e1 - 3 f a t t ya c i dc o m p o s i t i o n o fm a l a y s i a np a l mo i l 表1 4 马来西亚棕榈油甘三酯组成 t a b l e1 - 4 t r i g l y c e r i d ec o m p o s i t i o no fm a l a y s i a np a l m o i l 表1 5马来西亚棕榈油的理化性质m ， t a b l e1 - 5 p h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm a l a y s i a np a l mo i l 性质平均范围性质 平均范围 皂化价1 9 5 71 9 0 1 2 0 1 7 碘价( 韦氏)5 2 95 0 6 5 5 1 不皂化物( ) 0 5 1 0 1 5 0 9 9 熔点( )3 4 23 0 8 3 7 6 密度 折射率1 4 5 5 、，、0 8 8 9 0 8 8 8 0 8 8 9 1 4 5 5 ( 5 0 。c ) 、( g m l “) ( 5 0 。c )1 4 5 6 棕榈油产量稳定，价格便宜，但品位较低，主要用作煎炸油。通过溶剂分提 可把棕榈油分成低熔点液相( 软脂) 、高熔点固相( 硬脂) 和中间熔点物( p o m f ) ， p o m f 与可可脂主要甘三酯的组成比较见表1 - 6 。 可可脂中主要的甘三酯是p o s 、s o s 和p o p ，占了总量的7 5 以上，用溶剂 分步分提棕榈油得到的p o m f 同可可脂的主要区别是p o p 的含量，p o m f 富含 p o p ，其含量可以达到6 0 以上。因此，根据p o m f 和可可脂组成的特点，通过 1 ，3 - 位置特异性脂肪酶的酶促酯交换作用，用硬脂酸或硬脂酸甲酯来取代p o m f 中p o p 上l ，3 一位置的棕榈酰基，使p o p 转化为p o s 和s o s ，可得到与可可脂 5 华南理工大学工学硕士学位论文 组成相近的类可可脂。 表1 - 6p o m f 与c b 的主要甘三酯组成“1 t a b l e1 - 6t y p i c a lt r i g l y c e r i d ec o m p o s t i o n ( m ) o fp o m f a n dc b h u a n g 等”研究了固定化r h i z o p u sa r r h i z u s 脂肪酶在正己烷中催化p o m f 与 硬脂酸进行酯交换反应，并探讨水活度、酶量、温度、硬脂酸与p o m f 的摩尔比 以及浓度对反应的影响。 最近有人研究了在无溶剂体系中，直接利用脂肪酶进行酯交换制取类可可脂。 其最大的优点就是反应后不需要分离有机溶剂，从而大大节约了类可可脂的生产 成本，并提高生产过程及产品的安全性，目前是该领域研究的重点之一。u u d u r r a g a 等“”研究了在无溶剂的条件下，利用l i p o z y m e l “催化p o m f 与硬脂酸进行酯交换 反应制取类可可脂。探讨了硬脂酸与p o m f 配比、酶与底物的配比等对收率、比 产量的影响。比较了最优条件下，分批和连续反应器中类可可脂的比产量：分批 反应器中比产量为o 0 3 9 9 - b i u h 。，而连续反应器中比产量为1 5 4g g - 1 h 。 1 1 4 2 以乌桕脂为原料作为中国重要油种的乌桕脂，含有8 0 以上的 p o p ，非常适合类可可脂的生产。而且这种乌桕脂在我国资源相当丰富，价格低 廉。合理利用物理化学手段将它改良成类可可脂则可带来巨大的经济效益和社会 效益。 张根旺等n ”以猪胰脂肪酶为催化剂，在正己烷中对乌桕脂分子结构调整作了 探索，详细研究了影响乌桕脂改性制取类可可脂的各种因素。在单因素系统研究 的基础上，通过正交试验得出了最佳反应条件。刘伟雄m ，等研究了固定化脂肪酶 催化乌桕脂与硬脂酸甲酯进行酯交换。考察了无机盐、水活度、温度以及有机溶 剂等因素对酯交换反应的影响，进行了产物分离和性能检测以及固定化脂肪酶的 稳定性实验。结果显示：c a s 0 4 能显著促进脂肪酶酯交换活力；最适水活度为 o 3 5 0 4 5 ；在正己烷中的酯交换反应最佳温度为6 0 。c ，乌桕脂，硬脂酸甲酯= 1 3 ， 每克底物加入正己烷1 0 m l ，固定化脂肪酶累计使用时间达2 0 0 h 以上。欧阳嘉m ， 探讨了乌桕脂中的甘三酯p o p 与硬脂酸间的酯交换反应，并考察了温度、有机溶 剂、酶浓度及底物对该反应速度及产物组成的影响，得到了一组最佳的酯交换反 应条件：反应温度6 5 ，转速2 0 0 r m i n ，酶乌桕脂，硬脂酸溶剂= 1 3 6 9 ，最佳 6 第一章绪论 溶剂为正庚烷。 林志勇等m ，研究了在无溶剂状态下，1 ，3 - 位置特异性脂肪酶催化乌桕皮油酯 交换反应制取类可可脂的工艺，确定了酯交换反应的最佳工艺条件，通过减压蒸 馏、乙醇结晶分提纯化了酯交换后的油脂，并应用高效液相色谱法，分析了类可 可脂产品的甘油三酯组成，应用差示扫描量热法( d s c ) 分析了产品的热性能。 1 1 4 3 以茶油为原料中国是茶油的主要生产国。茶油的物理和化学性质非 常类似于橄榄油，属于富含油酸的油脂n ”。关于以茶油为原料油制类可可脂的研 究报道不多。日本田村幸一申请了用茶油与硬脂酸做反应底物，在脂肪酶的催化 作用下制取类可可脂的专利。从茶油的脂肪酸组成和分布出发，通过控制棕榈酸 和硬脂酸在1 ，3 - 位置的分布，完全可以制得在脂肪酸组成和甘三酯组成方面类 似于可可脂的代用品。 徐学兵“2 ，等用1 ，3 - 位置特异性脂肪酶，在茶油、硬脂酸、棕榈酸混合已烷体 系中进行一步酯交换反应，研究了影响反应的主要因素，最终制成了类似可可脂 结构和组成的代用品。吴冀华等n ”研究了在无溶剂系统中利用猪胰脂酶对茶油改 性制类可可脂，初步探讨了影响茶油改性的各种因素。发现当反应在5 0 下，体 系含水量为l ，底物配比为中性油棕榈酸甲酯硬脂酸甲酯= 1 1 4 时，反应进 行1 6 h 后所得到的类可可脂与天然可可脂相比，两者热性能相似。 1 1 4 4 新原料的开发当前，国外许多学者正致力于开发各种新的、更廉价、 更适合于生产类可可脂的原料。j e y a r a n i 等“”从m a d h l 4 c al a t i f o l i a h 和g a r c i n i a i n d i c a 中提取适合于生产类可可脂的油脂。经溶剂分提得到的硬脂熔化曲线陡， 并且在3 2 5 时，固体油脂含量( s f c ) 比可可脂高，表现出可可脂类似的速熔性。 与可可脂可以任意比混容。另外还利用干法分提，发现产物固化性与溶剂分提的 油脂相似，但s f c 比溶剂分提得到的少。最近，j e y a r a n im ，从s i m a r o u b og l a u c a 中提取油脂用于制备类可可脂。研究发现其脂肪酸组成为1 2 5 棕榈酸、2 7 硬 脂酸、5 6 油酸和4 5 的其它脂肪酸。其中大约含有3 0 的对称单不饱和甘三 酯。油脂经溶剂分提后得到的对称单不饱和甘三酯含量可高达6 6 ，且熔点范围 很窄。同时还研究了干法分提技术，发现得到的油脂性质与溶剂分提得到的类似。 1 2 生物催化与有机合成 生物催化( b i o c a t a l y s i s ) 是蓬勃发展的生物技术( b i o t e c h n o l o g y ) 中一个重 要的具有广泛前景的领域。它是用生物催化剂( b i o c a t a l y s t ) 将有机化合物的生产 过程与人们对天然高品质的、有利于环境保护的、可再生利用的产品不断增强的 需求结合起来，工业化生产与人类生存密切相关的物质，尤其是食品、饮料、医 7 华南理工大学工学硕士学位论文 药、化工和保健用品中的重要原料或组份一，甚至可以生产出自然界中不存在或 化学方法无法合成的生物活性物质m ，。与化学合成相比，生物催化具有如下优势： 第一，在常温、常压下反应，反应条件温和；第二，反应速度快，反应转化率高； 第三，催化反应特异性强，副产物少；第四，更重要的是生物催化的产品品质高， 可以避免化学催化产生对人类及其生存环境有害的物质。因此，生物催化被看成 是化学工业发展的重要方向之一，许多发达国家将其列在发展的重要位置上”。 生物催化剂包括生物细胞和生物大分子酶等。使用活的微生物细胞做催化剂 的生物催化过程就是发酵过程。它可以利用价格低廉和结构简单的原料，通过活 细胞的代谢产生复杂的化合物。工业化发酵生产有机产品已有一百五十多年的历 史。发酵过程的本质也是利用酶来进行催化反应。 近年来，随着一些重要有机产物的成功的工业化生产，使用从细胞中提取的 酶直接催化单一或多底物来生产有机产品已显示了酶催化反应过程巨大的工业化 应用潜力。 八十年代初，美国、英国著名的预测机构o f f i c eo f t e c h n o l o g ya s s e s s m e n t 在 s p i n k sc o m m i t t e e 的报告中就评定说：生物技术中最大的进展将来自酶的生物催 化过程u ”。这些年来酶法合成有机物己扩展到有机合成的许多领域，酶催化有机 合成的举例见表1 7 。 酶作为催化剂在合成工业上的应用也已初见成效，并较化工合成具有明显的 优势，在化学工业中占有重要地位。许多有机合成家将目光转向酶法有机合成。 酶催化的立体特异性反应，如羟化、环氧化、异构化、水解，有很多是采用化学 法难以实现的。目前成功地大规模酶催化的例子见表l 一8 。 1 3 非水相酶学 1 3 1 非水相酶学的兴起 酶能在疏水环境中表现出生物活性，这在生物体中早已被人们所知。在非生 物体系的疏水有机溶剂中仍表现出生物活性，这无疑是对长期以来认为生物功能 大分子( 酶、抗体、核酸等) 只能在水溶液中才行使其生物功能以及有机溶剂是 它们的变性剂这传统观点巨大的挑战。1 9 8 4 年美国m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ( m i t ) 的k l i b a n o v “”在s c i e n c e 上首次发表了非水介质中脂肪酶的催化 行为及热稳定性的研究，从此该领域得到迅速发展并取得了突破性的进展。这对 进一步加深人们对各种生命活动现象的认识提供了又探索的领域。经过近二十 年的发展，酶学领域诞生了一个全新的学科方向一非水相酶学( n o n - a a u e o u s e n z y m o l o g y ) 14 1 - 4 m ，为生物工程技术又增添了一个新的研究方向。 8 第一章绪论 表l 一7 酶法有机合成举例 t a b l e1 - 7e n z y m a t i cs y n t h e s i so f o r g a n i cc o m p o u n d s 酶应用 脂肪酶 氯过氧化物酶 过氧化物酶 葡萄糖苷转移酶 醇脱氢酶及羟类固醇脱氢酶 腈水解酶、醛缩酶、丙酮酸脱羧酶 及醛连接酶 乙内酰脲酶、氨甲酰酶 及氨基酸脱氢酶 微生物内酯水解酶 丝氨酸蛋白酶 醛缩酶 环化酶 口一葡萄糖苷酶 糖苷酶 光学纯药物中间体的合成一手性醇 合成手性过氧化物及醇 合成抗氧化剂及环氧化物 n d 一丁基葡萄糖苷及其酯衍生物，生产纯度高的 可降解的非离子表面活性剂，化妆品 催化羟一酮基氧化还原制备药物、信息素、甾体 催化c c 键合成生产精细化学品 从相应乙内酰脲还原氧化酮酸到纯l 氨基酸 作为药物多肽不对称合成原料 水解d 泛酰内酯到d 泛酸，是国内饲料 添加剂及药物的手性原料 肽键合成 合成各种糖及其衍生物 合成甾体和萜烯类化合物 从糖及醇合成表面活性剂烷基书一葡萄糖苷酶 合成低卡路里糖及健康食品一麦芽寡糖 糖基转移酶 合成糖基化蛋白质，有医用价值 表1 - 8 工业化成功应用酶催化生产的有机化合物m z t a b l e1 - 8e x a m p l e so f l a r g e s c a l eb i o c a t a l y t i cp r o c e s s e s 过程 酶产品 水解作用 淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖 拆分作用 氧化作用 还原作用 异构作用 腈水合酶 乙内酰酶 脱卤酶 山梨醇脱氢酶 争酮还原酶 葡萄糖( 木糖) 异构酶